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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2021.tde-15092021-084047
Document
Author
Full name
Ícaro Ostan
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2021
Supervisor
Committee
Siqueira, Adriano Almeida Gonçalves (President)
Frizera Neto, Anselmo
Naves, Eduardo Lázaro Martins
Title in English
Haptic feedback through lower limbs exoskeleton for rehabilitation robotics with virtual reality
Keywords in English
Haptic feedback
Impedance control
Presence
Rehabilitation robotics
Virtual reality
Abstract in English
Rehabilitation robotics along with virtual reality presents an interesting scenario to improve the physical rehabilitation process. In order to take full advantage of this technology, it is crucial to deliver an immersive experience. To perform this task, visual, auditory and haptic, or, in general, multisensory feedback interfaces are implemented. While the virtual reality equipment provides visual and auditory stimuli, usually a robotic device provides the haptic stimuli. This work describes the design and implementation of a multisensory feedback system for infinite walk inside virtual reality. A lower limbs robotic exoskeleton was adapted to function as a haptic interface device, at the same time it assisted the user to perform a pre-recorded trajectory. A virtual environment was modeled and created in order to distract the user. Motion tracking was implemented in order to ensure embodiment, thus, a greater feeling of presence. Tests with ten healthy subjects were performed in order to assess the user experience and evaluate the current setup. Three controllers were tested: an impedance controller, which only delivered haptic assistance; a cascade admittance-impedance controller that delivered haptic assistance and feedback, helping the user to perform a trajectory but restraining its range; and a transparency controller, which simply followed the user's movements. Results showed that the cascade controller could track the reference trajectory with similar accuracy as the impedance controller, at the same time it modulated the trajectory to deliver haptic feedback. Furthermore, most physical side effects reported by the users after the experience were due to the exercise rather the exposure to virtual reality; even though this exposure was relatively short, results suggested that the current virtual reality setup is safe and comfortable for an infinite walking task. Regarding immersion and the feeling of presence, spatial presence was the attribute with best results, whereas the involvement and realism were hampered, mainly due to moments of break-in-presence.
Title in Portuguese
Feedback háptico por meio de exoesqueleto de membros inferiores para fisioterapia robótica com realidade virtual
Keywords in Portuguese
Controle de impedância
Presença
Reabilitação robótica
Realidade virtual
Retroalimentação háptica
Abstract in Portuguese
A reabilitação robótica e a realidade virtual apresentam-se como ferramentas diferenciadas que podem assistir na recuperação de pacientes. Para usufruir destas tecnologias ao máximo, é crucial que uma experiência imersiva seja entregue ao usuário. Para tal, interfaces de retroalimentação multissensorial, como visual, auditiva e, menos frequentemente, háptica, são desenvolvidas. Enquanto o equipamento de realidade virtual fornece estímulos visuais e auditivos, geralmente um dispositivo robótico fornece o estímulo háptico. Este trabalho descreve o projeto e implementação de um sistema de retroalimentação multissensorial para caminhada infinita sobre esteira ergométrica dentro de realidade virtual. Um dispositivo robótico de membros inferiores para fisioterapia de marcha foi adaptado para funcionar como uma interface de retroalimentação háptica ao mesmo tempo que fornece assistência para realizar um movimento pré-determinado. Um ambiente virtual foi modelado e criado de forma a distrair o usuário. Técnicas de captura de movimento foram implementadas para garantir incorporação e maior sensação de presença dentro do ambiente virtual. Em sequência, testes com dez indivíduos hígidos foram realizados, de forma a avaliar a configuração de testes atual e a experiência do usuário. Três controladores foram testados: um controlador de impedância, que assistia durante a marcha; um controlador em cascata, que assistia no movimento e também o restringia de forma a simular a interação com o ambiente virtual; e um controlador de transparência, que somente seguia os movimentos do usuário. Resultados mostram que o controlador em cascata segue a trajetória com tanta precisão quando o de impedância, ao mesmo tempo que modula a trajetória para considerar a interação virtual, fornecendo retroalimentação háptica. Além disso, a maioria dos efeitos colaterais relatados durante a experiência restringiram-se à atividade física; embora o tempo de exposição à realidade virtual tenha sido curto, os resultados sugerem que a configuração atual é segura e confortável para caminhada infinita. Em se tratando da imersão e da sensação de presença, o atributo de presença espacial foi a sensação mais forte durante a experiência, ao passo que o envolvimento e o realismo foram as componentes mais prejudicadas, devido aos momentos de quebra de presença.
 
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Publishing Date
2021-09-17
 
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